Wind Conditions around High-rise Buildings

152 Pages·2010·63.81 MB·English

Sohngårdsholmsvej57
DK-9000Aalborg
[phone]
http://www.bsn.aau.dk
Title: Synopsis:
WindConditionsAround
Thisprojectisconductedinordertoinvestigatethepos-
High-riseBuildings
sibilitiesofanalysingwindconditionsatpedestrianlevel
byuseofComputationalFluidDynamics(CFD).Thepur-
Subtitle:
poseistoestablishanoperationalprocedureforevaluat-
AMethodforEvaluatingWind
ingwindconditionsbycouplingCFD,windstatistics,and
ConditionsbyComputational
evaluationcriteria.
FluidDynamics
Theprojectconsistsofthreeparts:
Dansktitel:
Part I deals with the problem of formulating evaluation
VindforholdomkringHøje
criteriabasedonmeanwindspeedandturbulence.Based
Bygninger
on the literature criteria are established for comfort and
danger,alongwithlimitsofhowoftenthecriteriashould
Danskundertitel:
beallowedtobeexceeded.
EnMetodetilEvalueringaf
Vindforholdmed PartIIpresentsthemathematicalmodelusedtoevaluate
ComputerstøttetFluidDynamik the flow field. This includes treatment of the wind stat-
istics,modellingboundaryconditions,selectionofturbu-
Project: lencemodel,andcomparisonoftheCFDmodelwithfield
MasterThesis measurementinordertoevaluatetheproposedmodel.
MasterofScienceinStructural
ItisshowedthattheSSTk-ωmodelbyMenter(1994)with
andCivilEngineering
parameterssuggestedbyYangetal. (2009)isbestformo-
delling the turbulence. A method for transformation of
Participants:
wind statistics from meteorological sites to the location
JonatanHjul
of interest is applied based on the work of Verkaik et al.
Inge-MetteKjemtrup
(2005)andWieringa(1986).
ThomasBankLauridsen
The overall procedure of evaluating wind conditions is
Supervisor: presented,andinPartIIItwocasestudiesareconducted.
MichaelR.Rasmussen OnefromHøjeBrygge,Nørresundby,wherealsothefield
measurements are conducted. Here the residents suffer
Editions:5 underseverewindconditions. Theothercasestudy,from
Numberofpages:152 Viborgvej/BredskiftevejinÅrhus,isforaproposedgroup
Completed:4thJune2010 ofhigh-risebuildings.
Inbothcasesthecomfortanddangerareevaluatedanda
numberofsolutionsaresuggestedinordertoreducethe
windspeedatgroundlevel.Thedirectionaldiscretisation
is investigated and considerations on how to choose an
adequatediscretisationispresented.
JonatanHjul Inge-MetteKjemtrup ThomasBankLauridsen
Thecontentofthereportisfreelyavailable,butpublication(withsourcereference)isonlyallowedwithagre-
ementbytheauthors.

Dansk resumé
Denne rapport er skrevet som afrapporteringen af afgangsprojektet “Vindforhold om-
kring høje bygninger”, der er gennemført på kandidatuddannelsen til Civilingeniør i
Bygge-ogAnlægskonstruktionvedAalborgUniversitet.
Projektetomhandlerevalueringafvindforholdibymiljøetvedanvendelseafennume-
riskmetodekaldetComputerstøttetFluidDynamik(CFD),deranvendessomenvirtuel
vindtunnel. Formålet er at opstille et redskab til undersøgelse af vindforhold omkring
eksisterendeogplanlagtebebyggelser.
IDanmarkerdenstørstedelafbebyggelsernelavebygninger,meniendelnyerelokal-
planererdetforeslåetatkonstruerehøjerebygninger.Højebygningerkangiveproble-
mermedvindforholdenepåjordniveauibygningensumiddelbarenærhed,dabygninger
dererhøjereenddenomkringliggendebygningsmasseforstyrrerenstørredelafdenat-
mosfæriskestrømning.
Deterderforiprojektetsøgtatopstilleenanvendeligproceduretilevalueringafvindfor-
holdene.Denneprocedureeropstilletpåbaggrundafdentilgængeligelitteraturkombi-
neret med egne studier. Evaluering af vindforhold kan evalueres på baggrund af kend-
skabtilvindspåvirkningpåmennesker,statistikpåvindenshastighedogretning,samt
vindensaktuellestrømningomkringbygningernepålokaliteten.
Evalueringskriterier, der fastsætter grænser for hvornår vinden bliver ukomfortabel og
hvornårdenbliverfarlig,erfastsatpåbaggrundafforsøgienvindtunnelgennemførtaf
Hunt,PoultonogMumford(1976).Derfindesintetdansknormgrundlagfor,hvorhyp-
pigtfarligeogukomfortablevindemåforekomme,menSBI-anvisning128angiverdisse
grænser.Deteriprojektetvist,atdissegrænsererforhøje,ogatgrænserneidenhol-
landskevindkomfortnormNEN8100giveretmerefornuftigtbilledeafvindforholdene.
Dereropstilletenmetodetiltransformeringafvindstatistikkerframeteologiskemålesta-
tionertilrandenafdeaktuelleevalueringsdomæner,hvoriCFD-beregningerneerudført.
MetodenbaserersigpåarbejdeafVerkaiketal.(2005)ogWieringa(1986).
Strømningsberegningerneomkringbygningernepålokaliteten,bestemtvedCFD,erva-
lideretmedfeltmålingerforetagetvedHøjeBryggeiNørresundby.Detervistatanven-
delseafk-ωSST-modellenafMenter(1994)medparametreforeslåetafYangetal.(2009),
erbedsttilatmodellerebådemiddelhastighedenogturbulensenistrømningen.
Denoverordnedeprocedureopstillettilevalueringafvindforholderanvendttiltocase-
studier. I den ene case, ved et eksisterende byggeri ved Høje Brygge i Nørresundby, er
beboerneudsatforkraftigevinde,derpåvirkerbrugsværdienafområdet.Denopstillede
beregningsmodelbekræfterdeforhold,beboerneoplever.Dererforetagetundersøgelser
afforskelligemulighedertilforbedringafvindforholdene.
Den anden case er fra et projekt under udvikling i Århus ved Viborgvej/Bredskiftevej.
Beregningerne viser, at der er problemer med vindforholdene med den originale byg-
ningsgeometri.Detervist,atenmindreændringkanforbedrevindforholdene,dogikke
tilstrækkeligttilatoverholdeangivelserneiNEN8100.
iii

Preface
Growing interest for construction of high-rise buildings has raised new engineering
problems,whicharenotnecessarilycoveredbyexistingcodesofpractice. Theseissues
ariseinconnectionwithdeterminationofwindloadsandchangedwindconditionsat
pedestrianlevel.Theproblemsofevaluatingwindconditionsareaddressedinthismas-
terthesis.
ThefieldofComputationalWindEngineering(CWE)isgrowingrapidly,andisreplacing
simulationsmadeinwindtunnels.InDenmarkthereisnocodeofpracticeforevaluation
of wind conditions at pedestrian level. The present project is an attempt to establish
basisandconventionsfortheevaluationofwindconditionsinDenmarkandothernon-
mountainousregions.
ThisreportisaresultofamasterprojectattheM.Sc.inStructuralandCivilEngineering
atAalborgUniversity.Thereportisdividedintothreeparts:(I)TheImportanceofProper
WindConditions,(II)DevelopmentofMathematicalModel,and(III)EvaluationofWind
ComfortinPractice.
PartIintroducewhyevaluationofwindcomfortaroundhigh-risebuildingsisimportant
andestablisheslimitsusedforthecriticalwindspeedandtheprobabilityofexceedance.
PartIIcoversthetheoreticalbackgroundforevaluationofwindconditions. Thisisdi-
videdintoachapterontheuseofComputationalFluidDynamics(CFD)foratmospheric
flow,anevaluationofturbulencemodels,achapteronthetreatmentofthewindstatist-
ics,anevaluationofthecalculationscomparedwithfieldmeasurements,andfinallyan
overviewoftheprocedureofevaluationofwindconditions.
PartIIIincludestwocasestudieswherewindconditionsareevaluatedinpractice. One
casefromHøjeBryggeinNørresundby,Denmarkwherethewindconditionsaroundan
existingbuildingisevaluated,andonecasefromViborgvej/BredskiftevejinÅrhus,Den-
mark where a proposed hotel and congress centre is evaluated for wind conditions at
pedestrianlevelbeforeconstruction.
OntheenclosedCDvectorplotsareprovidedofthemodelspresentedinthereport.
v

Table of Contents
Danskresumé iii
Preface v
Nomenclature xi
I TheImportanceofProperWindConditions 1
1 Introduction 3
1.1 EvaluationofWindConditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 ProblemStatementfortheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 OutlineofProject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 CriteriaforEvaluationofWindConditions 7
2.1 TheScopeoftheProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 DefinitionofCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 PedestrianActivitiestoConsider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 CriteriaforPedestrianActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 LimitsforAcceptableWindClimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 ConclusiononCriteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
II DevelopmentofMathematicalModel 11
3 CFDsimulationsofAtmosphericFlow 13
3.1 MathematicalBasisforDescriptionofAtmosphericFlow . . . . . . . . . . . . 13
3.2 DescriptionofBoundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.1 InletBoundaryCondition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.2 OutletBoundaryCondition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.3 GroundSurfaceBoundaryCondition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.4 BuildingSurfaceBoundaryCondition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.5 FreeStreamConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 ObtainingaStableAtmosphericBoundaryLayer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 ChoiceofTurbulenceModelforUrbanFlow 21
4.1 TheproblemofTurbulenceModelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 LiteratureStudiesonPerformanceofTurbulenceModels . . . . . . . . . . . . 21
4.3 PerformedStudiesonTurbulenceModels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3.1 ExperimentalData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3.2 ComputationalDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.3 BoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4 AnalysisofComputedResultsandExperimentalData . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.5 DiscussionandPerspectivesoftheTurbulenceModels . . . . . . . . . . . . . . 28
4.6 ConclusiononTurbulenceModelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5 TreatmentofWindStatistics 31
5.1 TheAtmosphericBoundaryLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
vii
TableofContents
5.1.1 UseofSimilarityTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.1.2 TheGeostrophicRelationsofRossbySimilarityTheory . . . . . . . . 33
5.2 AppliedAtmosphericModel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2.1 ChoosingtheRoughnessHeights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.3 ImplementationIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.4 VerificationandValidationofTransformationProcedure . . . . . . . . . . . . . 38
5.5 ConclusionandPerspectivesonStatisticalTreatment . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.6 LinearitywithRespecttotheVelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.6.1 Studyona4×4×1Cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.6.2 StudyonaCylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.7 CouplingbetweenWindStatisticsandCFDCalculations . . . . . . . . . . . . . 41
6 ValidationofCFDModel 43
6.1 Calibrationofanemometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.1.1 UncertaintiesinCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2 PreparationofEquipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.3 ChoosingTime-AveragingPeriod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.4 MeasurementsatHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.5 ComparisonofMeanWindSpeedandDirection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.5.1 EvaluationofWindfromNorth-east . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.5.2 EvaluationofWindfromWest. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.6 MeasurementsofTurbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.7 ConclusionsonComparisonBetweenCFDandMeasurements . . . . . . . . 54
7 ProcedureforEvaluatingWindConditionsbasedonCFD 57
7.1 OutlineofProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.2 MethodforAutomatetheCalculationProcedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.3 SensibilityofParametersinEvaluationProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.3.1 UncertaintiesintheMathematicalSubmodels. . . . . . . . . . . . . . . 63
7.3.2 AssessmentofUncertaintiesinEvaluationoftheFlow . . . . . . . . . 64
III EvaluationofWindComfortinPractice 65
8 EvaluationofWindConditionsatHøjeBrygge 67
8.1 StoriesFromResidents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.2 SurroundingAreas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.3 Build-upofModelforHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.4 GeometricalModelandSpatialDiscretisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.5 WindPhenomenaatHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.5.1 VenturiEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.5.2 FlowAroundCylinders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.5.3 HighBuildingBehindLowBuilding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.5.4 CornerStreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.6 LevelofComfortandSafety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.7 SuggestedSolutionsforHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.7.1 ChangingLocationofEntrance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.7.2 MinimisingtheWindSpeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.7.3 PentRoof. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
viii